Schlüsselwörter
(Englisch)
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photovoltaics, passivating contacts, crystalline silicon
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Dieses Projekt is der Entwicklung neuer technologischer Bausteine für die Produktionskette von effizienten und kostengünstigen Siliziumsolarzellen gewidment. Standardzellen aus der heutigen industriellen Produktion erreichen Wirkungsgrade zwischen 17.5% (multikristallin) und 19% (monokristallin) während Rekordzellen über 25% erzielen. Diese Lücke ist in erster Linie auf Rekombinationversluste am metallischen Rückkontakt zurückzuführen. Zur Verbesserung von Zellen in der Massenproduktion schlagen wir „passivierende Kontakte“ vor, welche selektiv die Majoritätsladungsträger mit den Metallkontakten verbinden und gleichzeitig die Minoritätsladungs-träger gegen Rekombination abschirmen, d. h. die Waferoberfläche passivieren. Passivierungs-schichten bestehen üblicherweise aus isolierenden Materialien wie Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid. In diesem Projekt werden wir passivierende Kontakte aus einer hauchdünnen Pufferschicht entwickeln, die den Wafer vom Metallkontakt separiert. Die Pufferschicht muss die Rekombination der Minoritätsladungsträger unterdrücken aber gleichzeitig Tunneltransport für die Majoritätsladungsträger gewähren. Passivierende Kontakte sind eine der Grundvorsaussetzungen um die Obergrenze des Wirkungsgrades von 29.4% für kristallines Silizium zu erreichen.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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The goal of this project is to add the key technological elements to the manufacturing of silicon-based photovoltaic modules with high energy-yield at very low cost. The main efficiency loss of industrial solar cells arises from charge carrier recombination at the direct metal-silicon contact, and explains the gap between record efficiencies of >25%, and the average efficiency of cells from mass production which are in the range of 17.5% (multicrystalline) to 19% (monocrystalline). To bring industrial solar cells to their next efficiency level, we propose to develop new generations of “passivating contacts”, i.e. structures that establish a selective electrical contact between one charge carrier type (majorities) and the metal electrode, while shielding the other charge carrier type (minorities) from the metallization, i.e. passivating the Si wafer surface. Surface passivation is usually accomplished by insulating dielectric layers like silicon oxide, silicon nitride, or aluminium oxide. We will develop passivating contacts comprising ultra-thin buffer layers between the exter-nal metallization and the wafer, suppressing recombination of minority charge carriers and at the same time providing electrical transport for majorities. Eventually ideal passivating contacts are required to approach the material limitation of crystalline silicon cells at 1 sun of 29.4%.
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Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
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Passivating electron contact based on highly crystalline nanostructured silicon oxide layers for silicon solar cells, J. Stuckelberger et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, vol. 158, pp. 2–10, 2016.
Passivating Contacts for Silicon Solar Cells with 800°C Stability Based on Tunnel-Oxide and Highly Crystalline Thin Silicon Layer, J. Stuckelberger et al., 43rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference, At Portland, Oregon, USA (2016)
Characterizing amorphous silicon, silicon nitride, and diffused layers in crystalline silicon solar cells using micro-photoluminescence spectroscopy, H.T. Nguyen et al., Solar Energy Materials And Solar Cells, vol. 145, p. 403-411 (2016)
Silicon-Rich Silicon Carbide Hole-Selective Rear Contacts for Crystalline-Silicon-Based Solar Cells, G. Nogay et al., ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 35660−35667 (2016)
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Kristalline Silicium-Solarzellen sind die am weitesten verbreitete PV-Technologie, aber es gibt immer noch grosses Potential für Verbesserungen. Zum Beispiel haben Zellen aus der industriellen Produktion geringere Leerlaufspannungen als Rekordzellen, da sie in der Regel keine passivierenden Kontakte haben. Ein neuartiger passivierender Kontakt könnte dieses Problem lösen. Er besteht aus einer Passivierungsschicht aus Silicium-Oxid, die hohe Prozesstemperaturen aushält, gleichzeitig ist die Oxidschicht dünn genug, um Tunneltransport in eine darüber liegende Kontaktschicht aus hochdotiertem, polykristallinem Silicium zu gewährleisten. Es verbleiben die Hürden, dass die meisten dieser passivierenden Kontakte für n-dotierte Wafer entwickelt wurden, und dass komplizierte Verfahren benutzt wurden, um Rekordzellen herzustellen. Im PASSCO-Projekt untersuchten wir passivierende Kontakte für p-dotierte Wafer, die weiter verbreitet sind, und wir verwendeten Plasmaunterstützte Gasphasenabscheidung in einem Reaktor mit parallelen Elektroden, eine industriell einsetzbare Technologie. Wir entwickelten passivierende Löcher-Kontakte um die schlechte Passivierung der Rückkontakte in Standardzellen zu verbessern, und wir konnten passivierende Elektronen-Kontakte für den p-n Übergang an der Vorderseite herstellen. Die experimentellen Arbeiten fokussierten auf die Herstellung der dotierten Schichten auf dem Tunneloxid und auf die anschliessende Ausbildung der passivierenden Kontakte in einem Temperschritt. Plasmaabscheidung bietet dabei mehrere Vorteile, zum Beispiel einseitige Abscheidung, ausgezeichnete Haftung, massgeschneiderte Dotierung, sowie eine vollständige Kontrolle über die Bandlücke und die Nanostruktur. Dies versetzte uns in die Lage, passivierende Kontakte zu entwickeln, die mit den Temperaturprofilen der Phosphordiffusion und des Feuerschrittes der Metallisierung kompatibel sind. In speziellen Testzellen lieferten diese passivierenden Kontakte Leerlaufspannungen von mehr als 700 mV und Füllfaktoren von mehr als 80% (84% im Falle einer planaren Zelle), dem entsprechen Wirkungsgrade von bis 22.6%. Ausserdem konnten wir einen passivierenden Kontakt in den Feuerprozess einer industriellen Solarzelle integrieren, die damit einen sehr vielversprechenden Wirkungsgrad von 21.4% erzielte. Das PASSCO Projekt zeigt damit verschiedene Prozesssequenzen auf, mit denen Hersteller ihre Produktionsstrassen aufrüsten und die Vorteile von passivierenden Kontakten nutzen können. Dies ermöglicht effizientere Module mit besserer Energieausbeute und Solarenergie zu niedrigeren Kosten.
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Schlussbericht
(Englisch)
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Crystalline silicon solar cells are the most widely used photovoltaic technology, but there is still a large margin of improvement. Compared to record devices, most cells in mainstream production have low open circuit voltage because generally they do not use passivating contacts. A new type of passivating contact could resolve this issue. It uses a passivation layer of silicon oxide that is compatible with high processing temperatures, and the oxide is thin enough for tunnelling transport into an adjacent layer of highly doped polycrystalline silicon. Remaining hurdles are that most of the reported work applied to electron-contacts for n-type silicon, and that complicated manufacturing techniques were used to demonstrate high efficiency solar cells. In the PASSCO project, we investigated passivating contacts to the more commonly used p-type silicon, and we used plasma deposition in a parallel plate reactor, an industrially compatible technique. We developed passivating hole contacts to mitigate the low to medium passivation quality of rear-contacts in current standard solar cells, and we demonstrated passivating electron contacts for the junction at the front-side. The experimental work was focused on the fabrication of the doped layers on top of the interfacial tunnel-oxide and on the subsequent formation of the passivating contact by annealing. The processing with plasma deposition offers several advantages such as single-side processing of the deposited layers, excellent adhesion, tailored doping concentrations, and full control of bandgap and nanostructure. On this basis we were able to develop passivating contacts that comply with the thermal budgets used for emitter diffusion and for the rapid thermal annealing of contact metallization. In purpose-built demonstration devices, these contacts achieved open circuit voltages above 700 mV and fill factors higher than 80% (up to 84% in planar devices) with efficiencies up to 22.6%. Finally, we also succeeded in integrating our passivating rear contacts into the firing process of industrial cells, resulting in a very promising efficiency of 21.4%. The PASSCO project thus contributes several new building blocks that allow solar cell manufacturers an upgrade of their production lines and to exploit the advantages of passivating contacts. This should ultimately transform into modules with higher performance and higher energy yield, allowing lower cost of solar electricity.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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Les cellules solaires en silicium cristallin constituent la technologie photovoltaïque la plus utilisée au niveau mondial. Malgré cela, une marge d’amélioration importante subsiste encore. En comparant les cellules records et les cellules standards produites actuellement par l’industrie, les tensions de circuit ouvert des cellules industrielles sont basses car elles n’utilisent pas de contacts dit passivants. Une nouvelle génération de contacts passivants peut permettre de surmonter cette limitation. Ceux-ci sont constitués d’une couche d’oxyde de silicium pouvant supporter des processus « standards » à haute température et aussi suffisamment fines pour permettre le tunneling des porteurs de charge jusque dans une couche de contact adjacente en silicium polycrystallin fortement dopé. Ces contacts passivants ont été démontrées principalement dans le cas des plaquettes de type n. De plus, la réalisation de cellules à très haut rendement nécessite de nombreuses et complexes étapes de fabrication difficilement industrialisable. Dans le projet PASSCO, nous avons d’une part étudié des contacts pour les plaquettes de type p car plus utilisées dans l’industrie, et d’autre-part, nous avons utilisé la technologie de dépôt par plasma dans un réacteurs à électrode parallèle qui est également une technologie compatible avec les processus de fabrication industrielle. Nous avons développé des contacts passivants de type p dans le but d’améliorer la qualité de passivation des contacts arrières et ainsi pouvoir remplacer les contacts des cellules standards actuelles. Nous avons également développé, dans le cadre du projet, des contacts de type n pour la jonction en face avant de la cellule. Les travaux se sont focalisés sur les procédés de fabrication des couches dopées, sur l’oxyde de silicium à l’interface et sur la formation du contact passivant pendant le recuit à haute température. Le dépôt par plasma offre plusieurs avantages, p.ex. le dépôt sur un seul côté, une bonne adhésion, un dopage sélectif, ainsi que le contrôle de la bande interdite et de la structure du contact à une échelle nanométrique. Grâce à cela nous avons pu développer des contacts passivants compatibles avec des procédés déjà utilisé dans l’industrie comme la formation d’un émetteur par diffusion ou les procédés de métallisation par recuit rapide. Pour valider la qualité de nos contacts, nous avons également fabriqué des cellules de démonstration avec lesquelles nous avons obtenu des valeurs de tension en circuit ouvert supérieure à700 mV, des facteurs de forme supérieur à 80% (même 84% avec une cellule plate), et des efficacités allant jusqu’à 22.6%, avec les deux faces passivées. Finalement, l’intégration de couches différentes avec le recuit rapide d’une cellule industrielle a atteint une efficacité très prometteuse de 21.4%. Le projet PASSCO offre donc plusieurs nouveaux blocs technologiques permettant aux producteurs industriels d’améliorer leur procédé et de viser le développement de cellules solaire de nouvelle génération. A terme, cela permettra une augmentation de la performance des modules et une réduction des coûts de l’électricité solaire.
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